基于扭矩?zé)o線遙測和虛擬儀器平臺的軸功率在線測量系統(tǒng)

高 峰 宋 榮

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系)

基于扭矩?zé)o線遙測和虛擬儀器平臺的軸功率在線測量系統(tǒng)

高 峰 宋 榮

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系)

介紹軸功率、轉(zhuǎn)速與扭矩的測量原理，運(yùn)用扭矩?zé)o線遙測技術(shù)和數(shù)字信號分析處理方法，在虛擬儀器平臺上構(gòu)建了一個軸功率在線測量系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、軟件功能和扭振應(yīng)力計算與預(yù)警。實(shí)測結(jié)果表明：與水力測功器相比，兩者的軸功率相對誤差小于10%，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

軸功率在線測量系統(tǒng) 動態(tài)扭矩?zé)o線遙測 LabVIEW 扭振應(yīng)力

旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率是發(fā)動機(jī)與動力設(shè)備的重要參數(shù)，因此軸功率測量是石化、船舶、汽車等領(lǐng)域中一項(xiàng)不可缺少的工作。但是在工程實(shí)際中設(shè)備工作環(huán)境惡劣、空間有限、干擾因素多，要想準(zhǔn)確測量旋轉(zhuǎn)軸功率是十分困難的[1]。近年來，扭矩?zé)o線遙測技術(shù)在軸功率測量中的應(yīng)用越來越多，與傳統(tǒng)的集流環(huán)式測功儀和頻率式鋼弦測功儀相比，其占用空間小、安裝簡便、測量精度高，能夠滿足各種環(huán)境下的測量需求[2]?；诖?，筆者利用虛擬儀器平臺(LabVIEW)的特點(diǎn)(面向?qū)ο笠组_發(fā)、第三方控件成熟及模塊化設(shè)計等)，設(shè)計了一個軸功率在線測量系統(tǒng)，通過對軸系轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行實(shí)時采集和分析處理，實(shí)現(xiàn)軸功率與扭振應(yīng)力的實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)回放、應(yīng)力預(yù)警及報表輸出等功能。

1 軸功率測量原理

對于以軸為輸出裝置的動力設(shè)備來說，軸功率Pe一般由轉(zhuǎn)速和扭矩計算得到，即：

Pe=Me·n/9550

(1)

式中Me——軸的輸出扭矩，N·m；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

1.1 轉(zhuǎn)速測量

軸功率在線測量系統(tǒng)采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器將被測軸的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。若在軸上均勻布置z個磁鋼，采集卡采樣頻率為fs，設(shè)在一段時間內(nèi)檢測到m個峰值信號，中間共有k個采樣點(diǎn)，則該段時間內(nèi)軸的平均轉(zhuǎn)速n為：

n=60fs(m-1)/(kz)

(2)

1.2 扭矩測量

軸在受到扭矩作用時，其截面上最大剪切應(yīng)力發(fā)生在截面周邊各點(diǎn)，且與軸所傳遞的扭矩有如下關(guān)系[3]：

(3)

式中D——軸外徑，cm；

τmax——最大剪切應(yīng)力，MPa。

對于一個幾何尺寸固定的轉(zhuǎn)軸來說，只要測得了剪切應(yīng)力，就可以求得扭矩Me。

當(dāng)被測軸系在運(yùn)行過程中表面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時，用粘結(jié)劑貼于軸系表面的電阻應(yīng)變片也會產(chǎn)生變形，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片阻值變化(電阻變化率與平均應(yīng)變呈正比關(guān)系)[4]。電阻式應(yīng)變測量儀將應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，經(jīng)放大后利用電子儀器進(jìn)行測量。在此，筆者采用的是全橋應(yīng)變花式應(yīng)變片，其粘貼方式如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片電橋電路

其中，A、C為激勵輸入端，激勵電壓為VEXC；B、D端為輸出電壓Vout。當(dāng)軸受到外力作用而發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，電橋失去平衡，此時測量輸出端有電壓輸出：

Vout=VEXCKε

(4)

式中K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)；

ε——材料的平均應(yīng)變。

2 動態(tài)扭矩?zé)o線遙測

目前，應(yīng)用最多的扭矩測量方法為滑環(huán)式電阻應(yīng)變儀和振弦式扭矩測量儀，然而這兩種儀表都對安裝空間要求較高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合高速軸的測量[5]。特別是滑環(huán)信號傳輸方式，信號極易受到干擾。因此，筆者采用KMT-Kraus Messtechnik GmbH無線遙測系統(tǒng)測量動態(tài)扭矩信號，其扭矩測量原理如圖2所示。

圖2 KMT系統(tǒng)扭矩測量原理

應(yīng)變式編碼器固定在軸上，與全橋應(yīng)變花通過導(dǎo)線相連，并為它提供24V直流激勵電壓，為纏繞在軸上的感應(yīng)線圈提供脈沖編碼的調(diào)制信號。通過磁場將感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的信號從線圈傳輸至感應(yīng)探頭上，再通過線纜將扭矩信號送至解碼模塊，經(jīng)調(diào)制解調(diào)處理后以±10V的形式輸出至采集設(shè)備。輸出電壓Vout與被測軸的扭矩Me成線性關(guān)系[6]：

(5)

式中d——軸內(nèi)徑，mm；

E——軸材料的彈性模量；

Gain——遙測裝置的增益系數(shù)；

N——電橋橋臂數(shù)目；

μ——軸材料的泊松比。

由于扭矩信號調(diào)制后以數(shù)字信號形式傳輸，因此信號的抗干擾能力得到了提高，傳輸距離得以增長，使系統(tǒng)能夠進(jìn)一步被優(yōu)化。與此同時，由于采用非接觸式傳輸方式，安裝過程中無需對軸進(jìn)行拆卸或改造，感應(yīng)探頭與軸之間的最大感應(yīng)距離可以達(dá)到30mm，降低了對安裝空間的要求。

3 軸功率在線測量系統(tǒng)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

筆者基于LabVIEW設(shè)計了一個軸功率在線測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。被測軸上分別安裝帶有齒輪的齒盤和應(yīng)變無線遙測模塊(包括應(yīng)變片、編碼模塊和感應(yīng)線圈)，相應(yīng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和應(yīng)變接收探頭與之對齊并安裝在軸旁感應(yīng)區(qū)域內(nèi)。轉(zhuǎn)速和扭矩原始電壓信號經(jīng)NI USB數(shù)據(jù)采集卡傳輸給PC機(jī)，完成數(shù)據(jù)處理分析、換算顯示、數(shù)據(jù)存儲及報表輸出等功能。

圖3 軸功率在線測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 軟件功能

系統(tǒng)主界面(圖4)主要由系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、信號處理及泄漏診斷等功能模塊組成。用戶登錄系統(tǒng)后，需選擇測量模式(單軸測試、雙軸測試和多軸模式)并配置相關(guān)測試參數(shù)，如通道配置、齒盤齒數(shù)、軸外形參數(shù)、應(yīng)變片參數(shù)及遙測裝置增益等，數(shù)據(jù)采集模塊完成對轉(zhuǎn)速和扭矩信號的采集，數(shù)據(jù)進(jìn)入隊列并同步完成分析與處理，處理結(jié)果以圖表和數(shù)值形式實(shí)時顯示在界面右側(cè)。用戶也可以通過數(shù)據(jù)回放功能對保存在本地數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看分析，報表輸出模塊則將測試結(jié)果以一定格式保存至文檔中供用戶打印輸出，扭振應(yīng)力模塊完成軸所受剪切應(yīng)力的實(shí)時計算和曲線顯示，并對超出許用剪切應(yīng)力范圍的情況進(jìn)行預(yù)警提示。

圖4 軸功率在線測量系統(tǒng)主界面

3.3 扭振應(yīng)力計算與預(yù)警

扭振應(yīng)力即軸在動態(tài)扭矩作用下，其表面微體中的最大剪切應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)原理，剪切應(yīng)力τ的計算式為：

τ=Me/Wp

(6)

其中，Wp為僅與軸截面尺寸相關(guān)的抗扭截面系數(shù)[7]，其計算式為：

Wp=π(D4-d4)/16D

(7)

將式(7)代入式(6)，即可由扭矩計算得到扭振應(yīng)力τ：

τ=16DMe/π(D4-d4)

(8)

根據(jù)材料力學(xué)原理，軸在扭轉(zhuǎn)變形時所受的剪切應(yīng)力應(yīng)小于材料的極限剪切應(yīng)力，即：

τ≤τmax/n′

(9)

其中，n′為安全系數(shù)，一般取1.3～1.5。

測量旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)扭矩和扭振應(yīng)力有助于實(shí)時了解軸系的受力狀態(tài)，對超過許用應(yīng)力范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時預(yù)警，防止可能出現(xiàn)的軸系故障。

4 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用筆者設(shè)計的軸功率在線測量系統(tǒng)對濰柴4105型柴油機(jī)進(jìn)行軸功率測試，并與水力測功器的測試結(jié)果進(jìn)行對比。4105型柴油機(jī)的額定功率82kW，額定轉(zhuǎn)速2 200r/min，分別在0%、25%、50%、75%、90%負(fù)荷工況下進(jìn)行測試，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，系統(tǒng)測試精度較高、工作穩(wěn)定，滿足高速軸的在線測試需求。由于無需在軸上加工滑環(huán)或應(yīng)力間接測量裝置，使系統(tǒng)在狹小空間和復(fù)雜環(huán)境下也具有較好的適用性。

表1 軸功率測試結(jié)果

5 結(jié)束語

筆者基于扭矩?zé)o線遙測和LabVIEW開發(fā)的軸功率在線測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示測試軸的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率和扭振應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理分析、歷史數(shù)據(jù)回放及報表輸出等功能，增加了功率測試的實(shí)時性，人機(jī)交互友好。系統(tǒng)使用的扭矩?zé)o線遙測技術(shù)克服了傳統(tǒng)扭矩測量的難點(diǎn)，既屬于應(yīng)變直接測量，測試精度高，又能將扭矩信號簡便而準(zhǔn)確地傳輸出來，抗干擾能力強(qiáng)。而且，遙測裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，能夠滿足各種軸徑和復(fù)雜環(huán)境的測試需求。

[1] 惲秋琴,胡瓊,陳文煒.SK-01型船用柴油機(jī)軸功率遙測系統(tǒng)[J].中國造船,2010,51(2):126～131.

[2] 王巖,儲江偉.扭矩測量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2010,38(11):14～18.

[3] 李舜杰,劉東風(fēng).艦船軸功率測量與應(yīng)用研究[J].中國修船,2010,23(5):14～16.

[4] 朱英敏,藍(lán)軍,張殿昌,等.應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)測量中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,1997,(5):29～31.

[5] 馬龍龍.應(yīng)變式傳動軸功率測試系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].太原:中北大學(xué),2011.

[6] 甘少煒,范世東,周剛.船舶柴油機(jī)軸功率測量系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].船海工程,2006,35(1):25～27.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.

On-lineShaftPowerMeasuringSystemBasedonTorqueWirelessTelemetryandVirtualInstrumentPlatform

GAO Feng, SONG Rong

(DepartmentofMechanicalEngineering,WenzhouVocationalandTechnicalCollege)

The principle of measurement of the shaft power, rotational speed and the torque were introduced; having the torque wireless telemetry and the digital signal processing approach applied to construct a online shaft power measuring system at the virtual instrument platform was implemented, including presenting of the system’s structure, software functions and torsional vibration’s stress calculation and early warning. The measurement results show that, as compared to the hydraulic power meter, their shaft power’s relative error is less than 10% and thus, this system’s accuracy and reliability is verified.

online shaft power measuring system, dynamic torque wireless telemetry, LabVIEW, torsional vibration stress

TH865

B

1000-3932(2017)01-0059-04

高峰(1989-)，助教，從事機(jī)電一體化方面的研究工作，gaofeng_wvtc@126.com。

2016-07-31)